Capitolo 2:
Principi di progettazione
per le costruzioni prefabbricate in c.a.
2.1 Introduzione
La progettazione effettiva e la costruzione di sistemi prefabbricati in cemento armato è possibile attraverso l’uso di appropriate connessioni che permettano tutte le condizioni di carico a servizio, di carichi ambientali e di carico allo stato limite ultimo.
I sistemi strutturali sono composti da elementi prefabbricati in calcestruzzo che sono collegati in modo meccanico, per esempio usando nei nodi tiranti, saldature, barre rinforzanti.
Collegare insieme gli elementi non è soltanto una questione di fissaggio degli stessi tra loro, ma consiste nell’assicurare l’integrità strutturale dell’intera opera.
Nella costruzione finita, le connessioni strutturali formeranno una parte essenziale del sistema resistente. La risposta della struttura dipenderà dal comportamento e dalle caratteristiche della connessione. La pianta strutturale, la disposizione delle unità stabilizzanti, il progetto del sistema strutturale (e del suo sotto-sistema) e il progetto e il dettaglio delle connessioni deve essere svolto coerentemente e con consapevolezza del comportamento strutturale voluto. Per poter definire un progetto soddisfacente, la progettazione dovrebbe comprendere il modo in cui le connessioni influenzano il flusso di forze nella struttura soggetta a carichi orizzontali e verticali.
Il principale proposito delle connessioni strutturali è quindi quello di trasferire forze tra elementi prefabbricati in modo da permettere l’interazione strutturale voluta quando il sistema è caricato.
Le connessioni strutturali interagiscono con gli elementi strutturali adiacenti, e il progetto e i dettagli delle stesse sono influenzati dal progetto e dai dettagli degli elementi che sono ad esse connessi. Per questo, le connessioni e gli
elementi devono essere dettagliati e progettati in modo che il flusso delle forze non sia solo logico e naturale, ma le forze che le connessioni sopportano possano essere trasferite negli elementi e all’ulteriore sistema carico-resistente.
2.2 Sistemi strutturali prefabbricati in c.a.
Nelle costruzioni prefabbricate in cemento armato si possono riconoscere ben precise tipologie di sistemi strutturali che possono essere individuati come tipi “di
base”. Questi sistemi possono essere combinati in diversi modi tali da ottenere un
concetto strutturale appropriato ed efficace che soddisfi i bisogni delle costruzioni specifiche.
I più comuni sistemi sono:
- sistemi trave-pilastro (elementi trave, elementi pilastro, connessioni), Figura 2.1; - sistemi di piano e interpiano (elementi di piano, elementi di interpiano,
connessioni), Figura 2.2;
- sistemi a pareti portanti (elementi di parete, connessioni), Figura 2.3; - sistemi di facciata (elementi parete di facciata, connessioni), Figura 2.4.
Altri sistemi prefabbricati, anche se meno comuni, sono: - sistemi trave (elementi trave, connessioni)
Figura 2.1 Sistema trave/pilastro, a) colonne monopiano b) colonne multipiano
Figura 2.2 Tipici sistemi di piano,
Figura 2.3 Sistemi a pareti portanti, a) muri di facciata caricati b) setti interni caricati
Figura 2.5 Sistemi cellulari prefabbricati, a) elementi cella chiusi,
b) elementi cella aperti con sezione a U
2.2.1. Sistemi di piano e interpiano
Il principale proposito dei sistemi di piano e interpiano (Figura 2.2) è di portare i carichi verticali verso gli elementi strutturali resistenti ai suddetti tipi di carico. I piani e gli interpiani prefabbricati sono spesso usati come parti essenziali del sistema stabilizzante in quanto adatti a trasferire alla suddetta unità stabilizzante i carichi orizzontali attraverso le azioni diaframma.
I più comuni sistemi di piano sono le piastre di piano cave e le coperture a doppio T.
Le connessioni che interessano questi sistemi sono del tipo: - piastra – piastra, nei nodi longitudinali all’intradosso;
- piastra – elemento d’angolo, nell’angolo longitudinale; - piastra – piastra, nel supporto interno;
- piastra – supporto finale.
Gli elementi in un sistema di piano non resisteranno ai carichi separatamente da ogni altro, ma è desiderato un grado di interazione tra elementi adiacenti. Per ottenere una distribuzione trasversale degli effetti di carico nel caso di carichi concentrati e prevenire indesiderati spostamenti verticali nei nodi longitudinali, le connessioni di piano devono essere progettate per sviluppare una azione di taglio che assicuri l’interazione tra elementi adiacenti.
2.3 Concezione progettuale
Uno dei principali vantaggi della tecnologia prefabbricata in cemento armato è la velocità di costruzione. Ma questo richiede essenzialmente semplicità e facilità nel realizzare le soluzioni proposte a tutti i livelli del processo costruttivo.
Questo aspetto è più importante con riguardo alle connessioni delle strutture intelaiate dove l’uso di connessioni nodali fisse e semplicemente sostenute da travi appare la soluzione più favorevole.
Le strutture prefabbricate devono essere robuste e adeguatamente progettate verso il collasso progressivo, verso la rottura strutturale, la fessurazione e le deformazioni inaccettabili. La stabilità del sistema e delle sue parti deve essere assicurato a tutti i livelli della costruzione così come deve esserlo durante tutta la sua vita a servizio.
La prima e vera importante fase della progettazione è la scelta del concetto strutturale. Devono essere considerati l’aspetto funzionale primario della costruzione, la sua forma, la sua massa e l’aspetto estetico.
E’ la scelta del giusto percorso delle forze e del principale schema strutturale che determina lo sviluppo del sistema prefabbricato in calcestruzzo e il suo successo o fallimento. L’ingegnere strutturale ha ancora la libertà di posizionare pareti di taglio e scegliere la luce di travi e/o solai in modo che il carico gravitazionale agente sul nucleo o sulle pareti di taglio sia grande abbastanza da eliminare le forze che tirano verso l’alto e le tensioni di trazione dovuti alla curvatura.
Le forze di trazione richiedono connessioni più complicate e maggior dispendio di tempo, dovendo usare per esempio barre rinforzanti passanti fra gli elementi, piatti di acciaio saldati, etc.
Le forze di compressione, invece, possono essere facilmente trasferite tra gli elementi ad esempio con nodi gettati in situ, che sono facili e poco costosi da realizzare.
2.3.1. Il flusso delle azioni attraverso il sistema strutturale
Per ogni carico esterno applicato alla struttura deve essere possibile identificare il percorso della forza che collega questo carico alla sua reazione in
fondazione. Questa forza deve passare attraverso gli elementi strutturali e le connessioni che possono essere riguardate come una catena di componenti.
Quando diversi carichi agiscono simultaneamente ci saranno diversi percorsi di forza, per questo è possibile parlare di flusso di forze.
E’ appropriato esaminare il flusso di forze sotto carichi verticali ed orizzontali separatamente e poi sovrapporre le due soluzioni nello sviluppo del sistema strutturale.
I carichi verticali sono presi dagli elementi di collegamento (elementi di piano e interpiano, travi) e dagli elementi di supporto (colonne, muri portanti).
Per le forze orizzontali la struttura deve essere dotata di unità stabilizzanti in grado di resistere ai carichi orizzontali e che colleghino questi ultimi alle loro reazioni in fondazione.
I seguenti componenti possono essere parti del sistema stabilizzante: - colonna incastrata al piede (azioni mensola),
- pareti sottili incastrate al piede (azioni mensola), - pareti spesse (azioni diaframma),
- telai con nodi resistenti a momento (azioni telaio), - scatola muraria (azioni trave e diaframma), - piani (azioni diaframma),
- interpiani (azioni diaframma).
Una colonna incastrata alla base e resistente a momento si comporta come una mensola quando è caricata orizzontalmente come in Figura 2.6.
In strutture multi piano, i pozzi scala e/o le pareti sottili alte possono essere usati come unità stabilizzanti, Figura 2.7.
Figura 2.7 Sistemi trave/colonna prefabbricati stabilizzati da unità rinforzanti,
a)costruzione multipiano, b) modello di calcolo
Nei telai con connessioni trave-colonna resistenti a momento il carico orizzontale deve essere trasferito dall’azione diaframma nei piani e negli interpiani prefabbricati alle unità stabilizzanti, parti essenziali del sistema stabilizzante.
Le connessioni tra i piani o gli interpiani e le unità stabilizzanti interagiscono per resistere ai carichi orizzontali come mostrato in Figura 2.8.
Figura 2.8 Azioni diaframma nei piani e interpiani prefabbricati
I piani o gli interpiani prefabbricati che conseguiranno considerevole rigidezza nel loro piano, dove essi sono normalmente considerati come pienamente rigidi nel progetto, sono quelli a nodi fissi.
2.3.2 Azione diaframma
L'azione diaframma consiste in flussi di sforzi tangenziali nelle costruzioni che trasmettono le forze sismiche dai montanti più sollecitati a quelli meno sollecitati, ripartendole in modo uniforme sui montanti stessi ed impedendo al contempo risposte sconnesse della struttura, secondo cui alcune parti vibrino fuori fase rispetto ad altre.
La valutazione precisa di questi sforzi richiede complessi algoritmi di analisi dinamica strutturale basati su modelli non lineari; se ne può dare una valutazione approssimata in rapporto all'entità delle forze sismiche basandosi su elementari equilibri, [09], [22].
Tale azione diaframma va dunque applicata agli elementi del solaio della copertura per verificarne la resistenza.
2.3.2.1 Impalcati continui con diaframma rigido
Una prima soluzione di diaframma continuo senza getti di completamento in opera si riferisce a solai o coperture realizzate con pannelli nervati o altri tipi di elementi prefabbricati affiancati e collegati l'uno all'altro da connessioni saldate poste sui bordi delle ali. In questo caso la solidarietà del diaframma è realizzata in modo discreto, attraverso connessioni puntuali.
L’analisi degli sforzi trasmessi dalle connessioni in tale soluzione può essere fatto su modelli semplificati parziali che rappresentino l’equilibrio del singolo elemento di copertura soggetto alla competente risultante delle forze di diaframma ed alle reazioni restituite, attraverso le connessioni puntuali, dagli elementi adiacenti e dalle travi portanti, [09].
Oltre che per la verifica delle connessioni stesse, tali reazioni vanno considerate in quanto inducono negli elementi delle importanti componenti di sforzo che si sommano a quelle principali dovute ai carichi gravitazionali.
2.3.2.2 Coperture discontinue con diaframma deformabile
Una soluzione molto diffusa per gli edifici industriali prefabbricati consiste nelle coperture con elementi distanziati per l’inserimento di lucernari continui. In questo caso gli elementi non possono essere connessi l’uno all’altro. Un certo grado di funzionamento a diaframma può ancora sussistere a condizione che le connessioni con la trave realizzino un incastro nel piano orizzontale del diaframma stesso. E’ il caso per esempio di elementi binervati in cui entrambe le nervature sono vincolate alla trave con connessioni fisse.
Anche per questa disposizione di vincoli il calcolo degli sforzi può essere fatto su modelli semplificati parziali che rappresentino l’equilibrio del singolo elemento di copertura con la competente azione di diaframma e le corrispondenti reazioni rese dai vincoli con la trave, [09]. Oltre alla resistenza delle connessioni stesse, andranno verificati gli effetti di queste forze sulle travi portanti e sugli elementi di copertura.
La deformabilità di un tale sistema di copertura ha una forte influenza sul comportamento globale della struttura e ne consegue l’applicabilità o meno di
analisi statiche semplificate o la necessità di più complesse analisi dinamiche modali.
2.3.2.3 Coperture sconnesse senza diaframma
Nel caso di elementi di copertura mononervati con semplice connessione fissata sulla trave portante non vi può essere alcun grado di incastro reciproco e la copertura rimane articolata e sconnessa nel piano orizzontale. Gli elementi funzionano come bielle incapaci di trasmettere alcuna azione diaframma. La copertura potrà dunque avere risposte sconnesse al sisma, con pilastrate che vibrano anche in opposizione di fase rispetto a quelle contigue, [09].
Per un tale assetto strutturale, oltre che di resistenza, sorgono problemi di compatibilità deformativa delle connessioni, che coinvolgono anche la stabilità degli elementi di completamento.
2.3.3 Comportamento di insieme
Le considerazioni presentate ai punti precedenti confluiscono tutte a caratterizzare la sintesi rappresentata dal comportamento d’assieme della struttura sottoposta all’azione del terremoto.
Vanno quindi precisati gli obiettivi che si intendono perseguire nell’applicazione dell’analisi di detto comportamento, previe le necessarie risultanze della presente ricerca.
Ai fini della progettazione sismica delle strutture, con riferimento alle loro potenziali capacità, ci si propone di operare nell’ambito della classe di alta duttilità. Questa classificazione trae origine dalla elevata duttilità flessionale delle sezioni critiche dei pilastri garantita dall’elevato valore della deformazione ultima dell’acciaio che consente notevoli curvature plastiche e dalla ridotta spaziatura delle staffe adottata secondo le competenti regole di dettaglio a prevenzione del precoce sbandamento instabile delle barre longitudinali compresse.
La duttilità flessionale locale si ripercuote in una buona duttilità traslatoria dei singoli pilastri grazie alla elevata sovraresistenza dell’acciaio che porta a
notevoli rotazioni plastiche nelle zone critiche localizzate alla loro base ed alla regola di gerarchia delle resistenze fra “taglio forte su momento debole” che previene una precoce rottura fragile per taglio dei pilastri stessi.
Trattandosi di telai monopiano o di sistemi pluripiano con travi incernierate, la duttilità traslatoria dei singoli pilastri si ripercuote in una altrettanto buona duttilità traslatoria complessiva della struttura senza bisogno di passare, come per i telai pluripiano con unioni incastrate, attraverso la regola di gerarchia delle resistenze fra “pilastro forte su trave debole” da applicarsi ai nodi dei piani intermedi dei telai stessi.
Posto che l’Ordinanza 3274, così come aggiornata con la NTC2008, non copre il tipo di strutture in esame (ma solo i telai pluripiano con unioni incastrate e le strutture monopiano isostatiche con appoggi scorrevoli), il fattore di struttura può definito per analogia a quanto prescritto dal competente Eurocodice 8, vedi [02]. Per i telai monopiano incernierati nell’EC8 si propone di assumere, senza alcuna maggiorazione, il valore base q=4,5 proprio di tutti i telai; per le strutture pluripiano con travi incernierate si propone di assumere il valore q=4,0 proprio dei sistemi a pareti non accoppiate.
Con queste assunzioni è possibile effettuare:
- l’analisi statica lineare per tutte le strutture connesse con diaframmi di piano,
- l’analisi dinamica modale per le strutture sconnesse, salvo metodi conservativi semplificati calibrati con le indagini della presente ricerca. Quanto detto non prevede, per le strutture in esame, significative irregolarità in altezza che impongano in ogni caso l’analisi dinamica non lineare.
